(57)【要約】【課題】  可変ギヤ比型ステアリング装置において、ピニオンの設計の自由度の増加を図ると共に、操舵フィーリングの向上、およびラック・ピニオン機構での振動および騒音の低減を図る。【解決手段】  車両用ステアリング装置は、舵角に応じて異なるギヤ比を有するラック・ピニオン機構を備える。ラック・ピニオン機構の全噛合い率は常に２以上であり、その同時噛合い歯数Ｎは、２または３である。ラック・ピニオン機構の遠のき噛合い長さおよび近寄り噛合い長さは、常に０よりも大きい。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
舵角に応じて異なるギヤ比を有するラック・ピニオン機構を備え、ハンドルの操作が前記ラック・ピニオン機構を介して転舵輪に伝達される車両用ステアリング装置において、
前記ラック・ピニオン機構の全噛合い率は、常に２以上であることを特徴とする車両用ステアリング装置。
【請求項２】
ピニオンの軸直角断面において、噛合い点が噛合い開始点および噛合い終了点にあるときを除いて、前記ラック・ピニオン機構の遠のき噛合い長さおよび近寄り噛合い長さが、常に０よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の車両用ステアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラック・ピニオン機構を備える車両用ステアリング装置に関し、詳細にはラック・ピニオン機構のギヤ比が舵角に応じて異なる可変ギヤ比型ステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用ステアリング装置では、高速走行時の小舵角領域では、ハンドル操作の適度な重さと応答性の良さが要求され、低速走行時の大舵角領域では、据え切りの軽さとロックツーロック回転数の低減が要求される。この要求を満たすために、ピニオンの回転角に対するラックの並進移動量を舵角に応じて変化させるラック・ピニオン機構を備える可変ギヤ比型ステアリング装置が、例えば特許文献１に開示されている。このステアリング装置のピニオンは、回転角につれて基準ピッチ円半径が変化するように異なる歯形のピニオン歯を有し、ラック・ピニオン機構のギヤ比が小さい領域では、最大の基準ピッチ円半径を有するピニオン歯が、ラック歯と噛合する。これにより、小ギヤ比領域での操舵感覚の渋りが解消されて、円滑な操舵が可能になる。
【特許文献１】特開昭５５−５１６６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前記従来技術では、回転角につれて基準ピッチ円半径が変化するように異なる歯形のピニオン歯を有するピニオンを形成する必要があるため、円滑な操舵を実現する上で、ピニオンの設計の自由度が制約される難点がある。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、請求項１，２記載の発明は、可変ギヤ比型ステアリング装置において、ピニオンの設計の自由度の増加を図ると共に、操舵フィーリングの向上、およびラック・ピニオン機構での振動および騒音の低減を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の発明は、舵角に応じて異なるギヤ比を有するラック・ピニオン機構を備え、ハンドルの操作が前記ラック・ピニオン機構を介して転舵輪に伝達される車両用ステアリング装置において、前記ラック・ピニオン機構の全噛合い率は、常に２以上である車両用ステアリング装置である。
【０００６】
これによれば、全噛合い率が常に２以上であるので、ギヤ比が最小となる領域はもちろん、該領域とは異なるギヤ比のすべての領域で、ラックとピニオンとの噛合いが円滑に進行して、ラックが円滑に並進移動し、またラックおよびピニオンに作用する噛合時の荷重が分散されて、各ラック歯および各ピニオン歯に作用する荷重が低減する。そして、ピニオンは、全噛合い率が２以上となるように形成されればよいため、すべてのピニオン歯を同一歯形で構成することも可能になる。
【０００７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の車両用ステアリング装置において、ピニオンの軸直角断面において、噛合い点が噛合い開始点および噛合い終了点にあるときを除いて、前記ラック・ピニオン機構の遠のき噛合い長さおよび近寄り噛合い長さが、常に０よりも大きいものである。
【０００８】
これによれば、遠のき噛合い長さおよび近寄り噛合い長さが常に存在するために、ラック歯とピニオン歯との噛合い部分が、ピニオンの回転中心線方向で途切れることがないので、噛合いの進行が一層円滑になる。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、次の効果が奏される。すなわち、ギヤ比が最小となる領域はもちろん、該領域とは異なるギヤ比のすべての領域で、ラックとピニオンとの噛合いが円滑に進行して、ラックが円滑に並進移動するので、操舵フィーリングが向上し、振動および騒音の発生が低減され、しかも各ラック歯および各ピニオン歯に作用する荷重が低減するので、ラック・ピニオン機構の耐久性が向上する。また、すべてのピニオン歯を同一歯形で構成することも可能になるので、ピニオンの設計の自由度が増加する。
【００１０】
請求項２記載の発明によれば、噛合いの進行が一層円滑になるので、請求項１記載の発明の効果のうちの操舵フィーリングの向上および振動・騒音の低減の効果がさらに高まる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図１ないし図９を参照して説明する。
図１を参照すると、本発明が適用された車両用ステアリング装置は、ギヤボックス内に配置されたラック１と該ラック１に噛合するピニオン２とにより構成されるラック・ピニオン機構Ｇを備える。ピニオン２は、ハンドル３にトーションバーを含む連結機構を介して連結されるピニオン軸４に形成され、ラック１は、両端部に連結されるタイロッドを含む転舵機構を介して転舵輪６に連結されるラック軸５に形成される。そして、ハンドル３が操作されると、操舵力が、前記連結機構、ピニオン軸４、ピニオン２およびラック１を介してラック軸５に伝達され、さらにその長手方向Ａ１に並進移動するラック軸５および前記転舵機構を介して転舵輪６に伝達されて、転舵輪６の転舵が行われる。また、前記ステアリング装置には、前記トーションバーにより検出される操舵トルクに基づいて操舵補助力をラック軸５に付加するパワーステアリング装置が備えられている。
【００１２】
捩れ角を有するヘリカルピニオンから構成されるピニオン２は、ラック１の平面視で、その回転中心線Ｌ１と、ラック軸５（またはラック１）の、長手方向Ａ１に平行な中心軸線に直交する直線Ｌ３とが交差角ψを形成するよう、ラック１に対して配置されている。また、ピニオン２の各ピニオン歯２ａの歯形は同一に形成されている。ここで、交差角ψは、ピニオン軸４の回転中心線Ｌ１とラック軸５の中心軸線Ｌ２との間の軸間距離と共に、ラック・ピニオン機構Ｇの車体への搭載レイアウトにより決められる。
【００１３】
また、ラック１は、ピニオン２の回転角θに対するラック１の長手方向Ａ１での移動量であるギヤ比Ｒが、舵角に対応する回転角θに応じて長手方向Ａ１で異なる可変ギヤ比型ラックである。ラック１には、回転角θが０のときのピニオン２が噛合する位置である中立位置Ｐ１を中心にして、長手方向Ａ１に低ギヤ比領域ＥＬ、可変ギヤ比領域ＥＶ、および高ギヤ比領域ＥＨが形成されている。ここで、ラック１の中立位置Ｐ１は、ハンドル３の中立位置、すなわち舵角が０である状態に対応する。
【００１４】
図２を併せて参照すると、低ギヤ比領域ＥＬは、ラック１の長手方向Ａ１での中央点であもある中立位置Ｐ１を中心にして長手方向Ａ１での所定範囲に形成され、そのギヤ比Ｒは最小の一定の低ギヤ比ＲＬとされる。可変ギヤ比領域ＥＶは、低ギヤ比領域ＥＬに連なって、低ギヤ比領域ＥＬの両側の所定範囲に形成され、そのギヤ比Ｒは中立位置Ｐ１から離れるにつれて低ギヤ比ＲＬよりも次第に大きくなる可変ギヤ比ＲＶとされる。高ギヤ比領域ＥＨは、低ギヤ比領域ＥＬよりも中立位置Ｐ１から離れた位置で各可変ギヤ比領域ＥＶに連なって、低ギヤ比領域ＥＬの両側の所定範囲に形成され、そのギヤ比Ｒは可変ギヤ比領域ＥＶでの最大ギヤ比と等しい大きさで最大の一定の高ギヤ比ＲＨとされる。
【００１５】
舵角に正比例する回転角θとの関係では、低ギヤ比領域ＥＬは、中立位置Ｐ１からのピニオン２の所定の第１回転角θ１までの範囲に設定され、高ギヤ比領域ＥＨは、第１回転角θ１よりも大きい第２回転角θ２からハンドル３がロックする第３回転角θ３までの間の範囲に設定され、可変ギヤ比領域ＥＶは、第１回転角θ１と第２回転角θ２との間の範囲に設定される
そして、高速走行時の小舵角領域では、低ギヤ比領域ＥＬでの低ギヤ比ＲＬにより、ハンドル３の操作の適度な重さと応答性の良さが得られ、低速走行時の大舵角領域では、高ギヤ比領域ＥＨでの高ギヤ比ＲＨにより、据え切りの軽さとロックツーロック回転数の低減が得られる。
【００１６】
図３，図４を参照すると、低ギヤ比領域ＥＬでは、ピニオン２の噛合いピッチ円Ｃは、その半径が最小の最小噛合いピッチ円Ｃ１に設定され、高ギヤ比領域ＥＨでは、噛合いピッチ円Ｃは、その半径が最大の最大噛合いピッチ円Ｃ２に設定される。また、可変ギヤ比領域ＥＶでは、噛合いピッチ円Ｃは、長手方向Ａ１で最小および最大噛合いピッチ円Ｃ２の間で変化する。
【００１７】
そして、噛合いピッチ円Ｃは、回転角θが０から第３回転角θ３（反対方向側での第３回転角θ３（−θ３が相当）も含む。）までの範囲で、最小噛合いピッチ円Ｃ１および最大噛合いピッチ円Ｃ２が回転中心線Ｌ１に直交する断面である軸直角断面において、ラック１の歯丈ｈの範囲内に収まるように、ピニオン歯２ａおよびラック歯１ａ（図１も参照）のそれぞれの歯形が決定される。これにより、正面噛合い率ε１および同時噛合い歯数Ｎが減少すること、そして円滑な噛合いが困難になるなどの難点が解消される。
【００１８】
また、図３，図４に示されるように、低ギヤ比領域ＥＬでのラック歯１ａの歯元の歯厚１ｂおよびピッチは、高ギヤ比領域ＥＨでのラック歯１ａの歯元の歯厚１ｃおよびピッチよりも、それぞれ小さい。
【００１９】
ここで、ピニオン歯２ａは、回転中心線Ｌ１からの半径が異なる円上で、モジュール、圧力角および捩れ角が異なるので、噛合い相手であるラック歯１ａは、そのモジュール、圧力角および捩れ角が、ピニオン歯２ａのそれらにそれぞれ合うように設計される。
【００２０】
具体的には、噛合いピッチ円Ｃは、次のようにして得られる。図５，図６を参照すると、ラック１とピニオン２とが噛合い点で正確に噛み合うためには、ピニオン歯２ａの捩れ角とラック歯１ａの捩れ角βｒが等しくなることが必要である。そこで、先ず、ラック歯１ａの捩れ角βｒは、式（１）で求められる。
【００２１】
βｒ   ＝tan−１（（Ｒ−Ｌｏ・sinψ）／Ｌｏ・cosψ）      （１）
そして、噛合いピッチ円Ｃの円径ｄｒは式（２）で求められる。
【００２２】
ｄｒ   ＝Ｌｏ／（π・tan（ψ＋βｒ））                    （２）
ここで、
Ｌｏ：ピニオン２のリード
Ｒ  ：ギヤ比
さらに、ラック・ピニオン機構Ｇの作動範囲全体で、ラック歯１ａとピニオン歯２ａとの噛合いが円滑に進行するように、噛合い点Ｐｍが、後述する噛合い開始点ＰＳおよび噛合い終了点ＰＦにあるときを除いて、ラック・ピニオン機構Ｇの遠のき噛合い長さｔｅ１および近寄り噛合い長さｔｅ２が、任意の軸直角断面において常に０よりも大きくなるように、そして式（３）で求められる全噛合い率εが２以上となるように、ラック１およびピニオン２の諸元が設定される。
【００２３】
ε    ＝ε１＋ε２                                          （３）
ここで、ε１は正面噛合い率、ε２は重なり噛合い率であり、それぞれ式（４）、式（５）で求められる。
【００２４】
ε１   ＝ｔｅ／Ｐｂ                                         （４）
ε２   ＝ｔｅｂ／Ｐｂｔ                                     （５）
ここで、ｔｅは全噛合い長さ、ｔｅｂは重なり噛合い長さ、Ｐｂは法線ピッチ、Ｐｂｔはラック１の長手方向Ａ１でのピッチであり、それぞれ式（６）〜（１１）から求められる。
【００２５】
ｔｅ  ＝ｔｅ１＋ｔｅ２                                      （６）
ｔｅ１＝（ｒａ２−ｒｇ２）１／２−ｒｇ・tanαｒｓ           （７）
ｔｅ２＝（ｒｇ／cosαｒｓ−（Ｈ−Ｈｒａ））／sinαｒｓ      （８）
Ｐｂ  ＝π・ｍｒｓ・cosαｒｓ                               （９）
ｔｅｂ＝ｂ・tanψ＋ｂ・tanβｒ                            （１０）
Ｐｂｔ＝π・ｍｒｎ／cosβｒ                               （１１）
ここで、
ｒｇ   ：ピニオン２の基礎半径
ｒａ   ：ピニオン２の歯先半径
αｒｓ ：ラック１の噛合い圧力角（ピニオン軸直角断面）
Ｈ     ：軸間距離
Ｈｒａ ：ラック１の歯先高さ（中心軸線Ｌ２からの）
ｍｒｓ ：ラック１の軸直角モジュール
ｍｒｎ ：ラック１の歯直角モジュール
ｂ     ：ランク１の歯幅
なお、図５において、ＰＳは、噛合い線Ｌｍとラック１の歯先線Ｌａとの交点であり、この明細書および特許請求の範囲において噛合い開始点に相当し、ＰＦは、噛合い線Ｌｍとピニオン２の歯先円との交点であり、この明細書および特許請求の範囲において噛合い終了点に相当する。また、図６において、ラック１とピニオン２との噛合いは、開始点Ｋ１から始まり、終了点Ｋ２で終了する。
【００２６】
このように、全操舵範囲に相当するラック・ピニオン機構Ｇの作動範囲全体、すなわち回転角θが０から第３回転角θ３（反対方向側での第３回転角θ３（−θ３が相当）も含む。）の範囲において、全噛合い率εが２以上の値に設定されるので、ラック１とピニオン２との同時噛合い歯数Ｎは、この実施形態では、図７に示されるように、２を最小自然数として、２よりも大きい最大自然数である３以下の値であり、回転角θ（舵角）の変化に応じて、ラック１とピニオン２とが同時に２枚のラック歯１ａおよびピニオン歯２ａで噛み合う状態と、３枚で噛み合う状態とが交互に繰り返されて、ラック１が長手方向Ａ１に移動する。
【００２７】
そして、ラックにおけるピニオンとの噛合い面10の概略が網掛で示される図８を参照すると、回転角θが０では、図８（Ａ）に示されるように、３枚のラック歯が同時に噛み合っており、第１回転角θ１近傍では、図８（Ｂ）に示されるように、２枚のラック歯１ａが同時に噛み合っており、可変ギヤ比領域ＥＶ内の回転角θ４近傍では、図８（Ｃ）に示されるように、２枚のラック歯が同時に噛み合っている。
【００２８】
また、ピニオンの回転に伴う遠のき噛合い長さｔｅ１および近寄り噛合い長さｔｅ２の変化の例について、図９を参照して説明する。図９（Ａ）に示されるように、ラック歯10とピニオン歯21との噛合い点Ｐｍに対して、遠のき噛合い長さｔｅ１および近寄り噛合い長さｔｅ２が０よりも大きい値を有する状態から、ピニオン20が回転方向Ａ２に回転した図９（Ｂ）に示される状態では、遠のき噛合い長さｔｅ１が減少し、近寄り噛合い長さｔｅ２が増加する。ピニオン20がさらに回転した図９（Ｃ）に示される状態では、ラック歯11とピニオン歯20との噛合い点Ｐｍが噛合い終了点ＰＦにあり、遠のき噛合い長さｔｅ１は０になる一方、遠のき噛合い長さｔｅ１と近寄り噛合い長さｔｅ２との和である全噛合い長さｔｅが、近寄り噛合い長さｔｅ２と等しくなる。ピニオン２がさらに回転した図９（Ｄ）に示される状態では、ラック歯11とピニオン歯21との噛合い点Ｐｍに対して、遠のき噛合い長さｔｅ１および近寄り噛合い長さｔｅ２が０よりも大きい値を有する。
【００２９】
なお、この実施形態で得られるラック１およびピニオン２の噛合い評価および強度評価は、ラック１およびピニオン２の３Ｄモデルを利用して行うことが、精度向上およびコスト削減の観点から好ましい。
【００３０】
次に、前述のように構成された実施形態の作用および効果について説明する。
車両用ステアリング装置のラック・ピニオン機構Ｇの全噛合い率εが、常に２以上であることにより、ギヤ比Ｒが最小となる低ギヤ比領域ＥＬはもちろん、低ギヤ比領域ＥＬとは異なるギヤ比Ｒのすべての領域ＥＶ，ＥＨで、ラック１とピニオン２との噛合いが円滑に進行して、ラック１が円滑に並進移動するので、操舵フィーリングが向上し、振動および騒音の発生が低減される。また、ラック１およびピニオン２に作用する噛合時の荷重が分散されて、各ラック歯１ａおよび各ピニオン歯２ａに作用する荷重が低減するので、ラック・ピニオン機構Ｇの耐久性が向上する。そして、ピニオン２は、全噛合い率が２以上となるように形成されればよいため、すべてのピニオン歯２ａを同一歯形で構成することも可能になるので、ピニオン２の設計の自由度が増加すると共に、すべてのピニオン歯２ａを同一歯形に形成することで、加工が容易になってピニオン２のコストを削減できる。
【００３１】
ピニオン２の軸直角断面において、噛合い点Ｐｍが噛合い開始点ＰＳおよび噛合い終了点ＰＦにあるときを除いて、ラック・ピニオン機構Ｇの遠のき噛合い長さｔｅ１および近寄り噛合い長さｔｅ２が、常に０よりも大きいことにより、遠のき噛合い長さｔｅ１および近寄り噛合い長さｔｅ１が常に存在するために、ラック歯１ａとピニオン歯２ａとの噛合い面10が、ピニオン２の回転中心線Ｌ１が延びる方向で途切れることがなく、噛合いの進行が一層円滑になるので、操舵フィーリングの向上および振動・騒音の低減の効果がさらに高まる。
【００３２】
ラック・ピニオン機構Ｇの同時噛合い歯数Ｎは、回転角θに応じて２および３のいずれかであり、ラック歯１ａの歯元の歯厚（歯厚１ｂが相当）が小さい部分である低ギヤ比領域ＥＬでは、図７に示されるように、同時噛合い歯数Ｎが３になる回転角θの範囲（すなわち舵角範囲）が、同時噛合い歯数Ｎが２になる回転角θの範囲よりも広いことにより、低ギヤ比領域ＥＬでは、２よりも大きな値である３でラック歯１ａとピニオン歯２ａとが噛合する割合が多くなるので、噛合時の荷重がより多いラック歯１ａに分散される頻度が高くなって、噛合する各ラック歯１ａに作用する荷重が低減するので、ラック１の耐久性が向上する。しかも、低ギヤ比領域ＥＬでは、噛合い点Ｐｍは、ラック歯１ａの歯元よりも歯先に近い位置にある（図３，図４（Ａ）参照）ので、噛合時の荷重が歯先寄りに作用するために、歯元に作用する応力が大きくなるにも拘わらず、同時噛合い歯数Ｎが３である頻度が高いので、ラック１の耐久性の向上に一層寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明が適用された車両用ステアリング装置の、ラック・ピニオン機構を中心とした平面図である。
【図２】図１のラック・ピニオン機構におけるピニオンの回転角とギヤ比との関係を説明するグラフである。
【図３】図１のラック・ピニオン機構において、ピニオンの回転角に対する噛合いピッチ円の変化およびラックの歯丈との関係を示すグラフである。
【図４】図１のラック・ピニオン機構において、（Ａ）は、低ギヤ比領域での噛合いピッチ円を、（Ｂ）は、高ギヤ比領域での噛合いピッチ円を、それぞれ説明する図である。
【図５】図１のラック・ピニオン機構における正面噛合い率、遠のき噛合い長さおよび近寄り噛合い長さを説明するための図である。
【図６】図１のラック・ピニオン機構における重なり噛合い率を説明するための図である。
【図７】図１のラック・ピニオン機構の同時噛合い歯数の変化を説明する図である。
【図８】図１のラック・ピニオン機構のラックでの噛合い面の概略を示す斜視図であり、（Ａ）は、回転角θが０での状態を、（Ｂ）は、第１回転角θ１近傍での状態を、（Ｃ）は、可変ギヤ比領域ＥＶ内の回転角θ４近傍での状態を、それぞれ示す斜視図である。
【図９】遠のき噛合い長さおよび近寄り噛合い長さの変化を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…ラック、１ａ…ラック歯、２…ピニオン、２ａ…ピニオン歯、３…ハンドル、４…ピニオン軸、５…ラック軸、６…転舵輪、10…噛合い面、
Ｇ…ラック・ピニオン機構、Ａ１…長手方向、Ａ２…回転方向、Ｌ１…回転中心線、Ｌ２…中心軸線、Ｌ３…直線、Ｐ１…中立位置、Ｒ…ギヤ比、ＥＬ…低ギヤ比領域、ＥＶ…可変ギヤ比領域、ＥＨ…高ギヤ比領域、Ｃ…噛合いピッチ円、ｈ…歯丈、ε…全噛合い率、ＰＳ…噛合い開始点、ＰＦ…噛合い終了点、Ｎ…同時噛合い歯数。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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